基于力矩平衡法的飛機稱重系統設計

曹 琦 田婷婷

基于力矩平衡法的飛機稱重系統設計

曹 琦 田婷婷

飛機稱重工作是飛機生產過程的一道重要工序，本文基于力矩平衡法系統地介紹了飛機重量及重心測量過程，同時進行了飛機稱重系統的設計。所設計的系統性能良好，可將飛機稱重工作標準化、程序化、規范化，提高了飛機稱重的準確性和工作效率，對今后型號飛機的稱重工作具有實際應用價值。

飛機重量及重心位置的確定對飛機的飛行安全有著非常重要的意義，其變化不僅影響飛機的操縱性、穩定性，同時還對飛機的經濟性有一定影響。因此，在飛機生產以后，飛機重量重心測量工作顯的尤為重要。

目前針對飛機重量及重心的測量方法，主要有引力法、懸掛法、力矩平衡法和質量矩守恒法等。本文通過對目前比較常用的力矩平衡法原理及飛機稱重方式的研究，結合工作實際設計了飛機稱重系統。

飛機稱重特點

（1）使用狀態特殊:飛機稱重為輪重（單支點）累加稱重，要求準確顯示各輪重（單支點）的重量值。

（2）受力狀態復雜:飛機稱重時其各支點為單一的集中載荷，且為輪重（單支點）測量。

（3）稱量時間長:飛機稱重時要做各種姿態調整、放油等試驗，用時在6h以上。

（4）秤組移動使用:一般大噸位電子衡器為固定式，而飛機稱重所用秤體絕大部分為可移動式的。

（5）安全性要求:在飛機稱重系統設計時，對其結構設計、軟件設計、無線傳輸頻率選用等方面都要進行慎重考慮。

力矩平衡法原理

坐標系定義

參考坐標系定義如圖1所示:A為坐標原點，選取飛機機頭位置；X軸取自飛機水平基準線，順航向看向后為正；Z軸位于飛機對稱平面內垂直X軸，向上為正；Y軸過原點且垂直于XZ平面，順航向看向右為正。

力矩平衡法計算過程

水平位置時，選擇機頭水平測量點A1為坐標原點，由A1點鉛垂交地面與B1點，傾斜位置時選擇機頭水平測量點A2，由A2點鉛垂交地面與B2點。在上述兩種稱重狀態下，記錄3個秤讀數及輔助設備的重量總和。圖2所示各符號的含義為:Li為每次稱重時Bi點至前輪中心的距離，li為每次稱重時前輪中心與主輪中心的距離，Hi為每次稱重時Ai至地面對垂直距離，Si為每次稱重時Bi至主輪中心的距離，CGi為飛機重心位置，XCGi為飛機沿縱軸距Ai的距離，R為主輪中心至地面的垂直距離，ZCG為飛機沿豎軸方向重心坐標值。

飛機在水平位置時，根據稱重測量結果，可計算出飛機沿X軸的重心坐標XCG1。由力矩平衡定律:

式中:Wn1為飛機水平位置稱重時前輪處秤的讀數，Wm1為飛機水平位置稱重時左右主輪秤的讀數總和。

傾斜位置時，將前輪抬高一定高度h，抬高角度約為α≈5°。依據稱重與測量結果，計算出飛機沿縱軸的值XCG2，沿豎軸方向的重心坐標ZCG。

由圖2所示，將已知的測量值H1、H2、R、S1、S2帶入式（2）、（3）、（4）即可求出α。

圖1 坐標系定義

圖2 力矩平衡法計算過程解析圖

再由力矩平衡定律:

式中:Wn2為飛機傾斜位置稱重時前輪處秤的讀數，kg；Wm2為飛機傾斜位置稱重時左右主輪秤的讀數總和，kg。由圖2所示可知:

聯立解方程（4）、（6）、（7）、（8）得出:

由于，

將式（9）代入式（10）中即可求解出H值。

聯立方程（1）、（11），可得出重心坐標（XCG1，ZCG）。

飛機稱重系統

飛機稱重系統意義

傳統稱重方法是通過三臺稱重設備稱量讀數，再經人工讀取讀數，填寫稱重定重心測量表，并計算重心坐標位置。飛機稱重系統通過計算機讀取三臺稱重設備讀數，稱重軟件顯示出讀取的飛機各支點重量，通過計算得出飛機的總重量及實際重心三維坐標位置并實時顯示，最后由打印機打印出飛機稱重數據。

通過比較，飛機稱重系統更加規范化、流程化，可減少人為造成的精度誤差影響，確保稱重結果的準確性，提高工作效率。

飛機稱重系統原理

飛機稱重系統由多套稱重傳感器（或稱重平臺）、一套稱重儀表箱（含有數字模塊、電源模塊、RS232數據傳輸線等）、一臺筆記本電腦（含相應的稱重軟件）等部件組成。其基本原理是從各稱重傳感器（或稱重平臺）測出的力信號，通過數字模塊進行采集、A/D轉換處理，然后通過RS232數據傳輸線與筆記本電腦連接，由筆記本電腦中的相關稱重軟件對稱重儀表箱傳輸的信號進行處理解算得到飛機重量及重心數據。飛機稱重系統原理圖如圖3所示。

飛機稱重系統設計

基于力矩平衡原理設計的飛機稱重系統目前有可移動平臺式、千斤頂式和懸掛式。本文將介紹千斤頂式支撐方法的稱重系統設計過程。

千斤頂式稱重系統

圖3 飛機稱重系統原理圖

在千斤頂式稱重系統中，稱重傳感器是核心稱重原件。本系統選用四柱式型測力傳感器，它的材料為優質合金鋼，采用高精度四柱式傳感器，與傳統單柱傳感器比較具有，精度高、傳感器抗側向力強（四柱傳感器同等量程下，四柱傳感器抗彎截面比單柱傳感器抗彎截面明顯增大，抗側向力滿量程的20%）等特點，非常適合于飛機稱重系統。

千斤頂式稱重系統特點:千斤頂的支撐點選擇在強度和剛度最好的地方，且這些點在飛機裝配過程中都進行了非常精確的定位。在飛機進行調水平時，可以通過操作千斤頂連續流暢地完成。而且千斤頂式稱重系統便于攜帶，方便用于對外場飛機實施測量。

軟件設計

軟件設計可采用Visual C++高級編程語言實現，所設計的飛機稱重系統軟件具備以下功能:

（1）實時顯示各支撐點的重量及飛機總重量；

（2）計算實際的飛機重心三維坐標；

（3）屏幕顯示出飛機重心的具體位置；

（4）繪制飛機重量改變時重心變化曲線。

結語

本文基于力矩平衡法設計的飛機稱重系統相比較傳統稱重方法測量準確，重復性好，抗干擾、抗側向力強、易于實現，且具有通用性，可應用于今后相關型號飛機的稱重工作。同時系統所配備的稱重軟件使用方便、功能多樣，能夠于工程實際應用中提高飛機稱重工作的效率。

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1.中航通飛華南飛機工業有限公司試飛中心；2.中航通飛研究院有限公司第五研究室

曹琦（1985-）男，江西湖口人，碩士研究生，工程師，中航通飛華南飛機工業有限公司試飛技術員。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001